JPH0641850B2 - 軸部品の計測方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、精密組立装置あるいは精密加工装置におい
て、複数個の視覚情報に基づき、非接触により部品を計
測する軸部品の計測方法に関するものである。

〔従来の技術〕

精密部品の組立はより精密な計測技術が要求され、取扱
う部品の大きさや形状、および材質などによって大きく
左右される。特にμｍオーダの位置決めとその計測は、
制約条件が多く、実用化が遅れている。これらの精密な
計測や位置決めには、一般的にはＴＶカメラを使用した
ものが多いが、解像度が低く、観測視野を大きくとれな
いという欠点がある。また、レーザ光線を使った計測も
盛んであるが、使用上の制約が多く、装置が大型で高価
なものになる。

そこで近年、解像度が高いラインセンサ（ＣＣＤ＝電荷
結合素子）などを使用して、位置計測あるいは形状計測
を行なっているものが多く見られる。その例として、特
開昭56-35004号および特開昭56-35005号に示されている
ものは、ラインセンサによる一次元計測方法で、データ
処理の簡素化を目的としており、ＴＶカメラを用いた二
次元データ処理と比較したものである。

また、特開昭61-162704号に示された外形寸法測定装置
は、透過照明方法による計測であり、透過照明が得られ
ない装置構造あるいは装置の小型化には適さない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

精密部品の組立に関する部品計測方法の一例として、軸
部品と穴部品との精密組立は、クリアランスが小さくか
つ非接触で挿入組立を必要とする場合、それぞれの接触
面のエッジを精密に計測しなければならない。これは嵌
合時のこじれや塵埃の介在によって、部品の損傷を招く
ことが多いからである。ここで、接触面のエッジとは、
軸部品の外径あるいは穴部品の内径であるが、本発明は
軸部品の外径計測を対象としたものである。

従来技術は透過照明を用いて被測定物のシルエットを計
測しているものが多いが、組立装置の構造上の制約から
透過照明が得られない場合、これに対応する手段がなか
った。また、被測定物からの反射光を計測する方法は、
部品の構造、加工精度、照明方法など精密計測が困難な
要因が多く、実用化が遅れている。

本発明の目的は、組立装置の構造上の制約を受けること
なく、軸部品の外接面あるいは部品形状の計測方法を得
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

垂直に立てた被測定物である軸部品の上部に、計測系を
配置した計測位置関係において、上記軸部品上端部の円
周エッジに小さな面取り加工（45゜のテーパ面を形成す
る）を施し、上記軸部品の側面から水平な平行光を上記
テーパ面に照射し、その反射光を上部計測系で計測する
ことにより、上記軸部品のエッジあるいは形状を捕捉で
き、目的を達成することができる。

〔作用〕

本発明を第４図に示す磁気ディスク装置のスピンドルを
例にとり説明する。第４図（ａ）、（ｂ）はスピンドル
上端部の部分断面図である。スピンドル29の上端部エッ
ジに（ａ）に示すように45゜のテーパ面34を設け、水平
な平行光を側方から照射することにより、上記テーパ面
34に垂直に見下ろした２点Ａ、Ｂ間の幅ｌに相当する反
射光が、上記スピンドル29の上部に設けた計測装置で観
測でき、上記反射光の幅ｌの一端Ａがスピンドル29の外
径エッジになる。上記のように観測される反射光の幅ｌ
は、照明方法によって変動するので、平行なスッポト照
明を用い、照度を機械的にテーパ面の寸法が明確な原器
を基準にして設定することにより、精度が高い計測を行
うことが可能になる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。第１図
は本発明による軸部品の計測方法の一実施例を示す構成
図、第２図は磁気ディスク装置の構成を示す斜視図、第
３図はスピンドル外径エッジの計測法を示す図、第４図
（ａ）、（ｂ）は上記計測法の説明図、第５図は上記ス
ピンドル外径エッジの観測波形図、第６図はワークの変
位量と計測値との特性を示す図、第７図および第８図は
計測および位置決め方法の説明図、第９図は本発明の応
用例を示す図である。第１図に示す軸部品の計測方法の
実施例図は、磁気ディスク装置の精密組立を対象にした
ものであり、上記磁気ディスク装置は第２図に示すよう
に、スピンドル29に磁気ディスク30とスペーサ31とを交
互に挿入し、複数段を積み重ねて固定するが、精密な記
録媒体としての製品の性質上無塵環境下での処理が要求
されるから、上記組立には非接触挿入が最も好ましい。

本実施例に示す磁気ディスク装置組立の概要は、第１図
においてＸＹテーブル25によって位置決めれた磁気ディ
スク装置のベース28を、姿勢制御機構（図示せず）によ
りスピンドル29が垂直になるように制御して固定する。
ここで、上記スピンドル29の外径を計測し、つづいてＸ
Ｙテーブルに設けられたアーム25を介して真空吸着され
た磁気ディスク30の内径を計測し、位置ずれ量を算出し
て、微動位置決め機構（図示せず）により磁気ディスク
30の位置を修正したのち、上記磁気ディスク30をスピン
ドル29に挿入する。ここで、上記磁気ディスク組立装置
は、その組立に際してスピンドル29の外径エッジの計測
と磁気ディスク30の内径とを計測するものであるが、本
発明による計測方法では軸部品としてスピンドル29の外
径の計測を取扱うため、第１図に示す構成図において、
スピンドル29の外径計測時には、磁気ディスク30と反射
板26とは装着されていない。また、垂直落射照明用の光
源５、シャッタ６、集光レンズ７およびハーフミラー８
は上記磁気ディスク30の計測に関係するものであるか
ら、本発明の説明では言及しない。

スピンドル29の外径の計測は、第１図および第３図にお
いて、視覚センサにラインセンサ１を使用し、上記ライ
ンセンサ１の前面にシリンドリカルレンズ２、フィルタ
３とを配し、対物レンズ４を含めて一体化した計測装置
９は、焦点合わせ装置10によって上下動する機構になっ
ており、被測定物との焦点合わせを自動的に行ってい
る。照明は反射鏡11を備えたランプ12の光源を、集光レ
ンズ13、絞り14、ピンホール板15、コリメータレンズ16
を介して平行光で、水平方向のスッポト照射方式であ
る。また、照度の滑らかな調整用に、回転す偏光板17
と、固定偏光板18とを配した。総体的には上記計測装置
９と照射装置19とは、観測面に対面して円周方向に120゜
間隔で３組設置されている。

つぎに計測方法の詳細を第３図〜第６図により説明す
る。スピンドル29は組立面35である側面が高精度に加工
されているが、その上端部は上記磁気ディスク30の組立
挿入時における「こじり」を避けるため、テーパ面34を
形成しており、上記テーパ面34の形状と傾き角とにばら
つきがあった。ここでテーパ面34の形状ばらつきとは、
２重テーパであったり丸味をもつものがあることで、こ
れらを平坦な一定角、例えば45゜のテーパ面（面取加
工）にすることで、第３図に示した上部の計測装置９に
対して、水平方向からの平行光を照射し、上記テーパ面
34の観測ができることから、上記スピンドル29の外径エ
ッジを計測する。

実施例はAl材φ100mmのスピンドル29を用い、テーパ面3
4は0.2mmの面取り加工を行った。照明は光源用ランプ12
に反射鏡11を付加し、集光レンズ13で集光した光を、絞
り14、ピンホール板15、コリメータレンズ16を通しφ５
〜φ8mmの平行光として取出すが、精密な計測には照度
も大きく影響するので、計測対象物に合わせた照明を得
るため、前面に回転用偏光板17と固定用偏光板18とを配
した。２枚重ねた偏光板を透過する光の照度Ｌは、２枚
の偏光板の相対位相角θによって Ｌ＝kcos²θ ……（１） となり、滑らかな連続した調整が可能になる。ここで、
（１）式中のｋは光源の種類によって変わる係数であ
る。上記のような照明光により、第４図（ａ）に示すよ
うにテーパ面34で反射する反射光を計測することで、
（ｂ）に示す垂直に見下ろしたテーパ幅ｌが観測でき、
チェックポイントはＡおよびＢで、Ａがスピンドル29の
外径エッジを示す。

上記観測を計測装置９のシリンドリカルレンズ２を介し
てラインセンサ１で得たものが、第５図（ａ）および
（ｂ）に示す観測波形である。第５図（ａ）は照度不足
あるいは光量不足の場合であり、（ｂ）は照度を飽和状
態近くまで上げ、しきい値ＳＶを設定してＡＢ間の波形
幅が、あらかじめ機械的に計測されたテーパ幅ｌと等し
くなるように調整した場合である。第５図（ａ）、
（ｂ）はいずれもＡ点で垂直に立上る波形が得られ、ラ
インセンサ１上の検出位置も変らない。つぎに、被計測
物であるスピンドル29を変位させ、そのときの計測値と
の関係を第６図に示す。第６図はスピンドル29の変位量
をｘ、計測値をｙとしてスケールを等しくとると、理想
形は直線36となるが、実施値は直線37になった。直線37
はｙ＝ａｘで表わせる直線で、定数ａは照明によって決
まることが確認できた。すなわち、第５図（ｂ）におい
て照明が強すぎると、波形幅ＡＢはテーパ面の寸法ｌを
上廻り、スピンドル29の変位に対しても上記波形幅が変
るためで、光学的な回折現象あるいは干渉によるもので
あり、平行光と最適な照明方法が重要な条件になる。そ
こで、照明の調整方法は、あらかじめテーパ幅ｌが高精
度で確認されているモデルを原器として、観測波形幅を
ｌと等しくするか、上記原器の変位に対して波形幅が変
らないようにすることである。上記のようにして再現性
が高い照明を得ることにより、本発明の計測法は有効に
なる。

本発明の一環として、スピンドル29の位置検出と、磁気
ディスク30との位置合わせ方法について、第７図および
第８図を用いて簡単に説明する。計測装置９と照明装置
19は観測面に対面して円周方向に120゜間隔で３組設置
し、それぞれの計測点をｓ_１、ｓ_２、ｓ_３とする。最初
に磁気ディスク30が計測装置９の下部に装着される前
に、スピンドル外径35を計測し、その後、組立装置に装
着された磁気ディスク内径38を計測して、それぞれのデ
ータからギャップＧ_１〜Ｇ_３を求める。

Ｇ_１≒Ｇ_２≒Ｇ_３ ……（２） であれば磁気ディスク30は非接触で挿入可能になる。上
記（２）式を満足させるには Ｇ＝1/3（Ｇ_１＋Ｇ_２＋Ｇ_３） ……（３） により平均値Ｇを求め、この平均値Ｇに対するＧ_１、Ｇ
_２、Ｇ_３の偏差ｇ_１、ｇ_２、ｇ_３をつぎのように求め
る。

Ｇ−Ｇ_１＝ｇ_１ Ｇ−Ｇ_２＝ｇ_２ ……（４） Ｇ−Ｇ_３＝ｇ_３ 位置修正はｇ_１、ｇ_２、ｇ_３を直交座標に変換して、ス
ピンドル中心点Paと磁気ディスク中心点Poとを一致させ
ればよい。

上記演算は第１図に示す画像処理装置21のデータに基づ
いて演算処理装置22で行われ、微小位置制御装置23によ
り微動機構24を駆動して、磁気ディスク30の位置修正を
行なう。

上記方式は精密位置決めあるいは精密組立に関する位置
計測の基本技術であるが、本発明の実施例により、φ10
0mmの軸部品の位置計測を、透過照明が得られなくても
小型の装置で精度が高い計測を得られる特徴がある。

つぎに、本発明による計測方法の応用例を第９図に示
す。第９図はロボット44のハンド43に取付けた微小位置
決め装置41と計測装置42および照明装置19a、19b（19c
は省略）を示すもので、軸部品45と穴部品46との組立作
用に適用したものである。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による軸部の計測方法は、軸部品の
計測面である端面円周に面取り加工を施し、上記計測面
に対面した円周上に、ほぼ等間隔で複数組の光学計測装
置を配設し、上記軸部品の外周からスッポト光を照射し
て、上記面取り加工したテーパ面からの反射光を計測
し、上記軸部品の外接面（外径）を求めることにより、
透過照明が得られない装置構造でも部品の精密計測を行
うことができ、また、装置の小型化を実施する上で有効
である。さらに、本発明は汎用性が高く、非接触で立体
的な精密計測が行えるため、今後の自動化技術には不可
欠であり、組立あるいは加工における品質向上、歩留り
向上に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による軸部品の計測方法の一実施例を示
す構成図、第２図は磁気ディスク装置の構成を示す分解
斜視図、第３図はスピンドル外径エッジの計測法を示す
図、第４図（ａ）、（ｂ）は上記計測法をそれぞれ説明
する図、第５図は上記スピンドル外径エッジの観測波形
図で、（ａ）は照度不足または光量不足の場合、（ｂ）
は照度を飽和状態近くまで上げた場合をそれぞれ示す
図、第６図はワークの変位量と計測値との特性を示す
図、第７図および第８図は計測および位置決め方法の説
明図、第９図は本発明の応用例を示す図である。 ９……光学計測装置、19……照明装置 29……軸部品、34……テーパ面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢野 健 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−213752（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−91506（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−149006（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸部品の計測面である端面円周に面取り加
   工を施し、上記計測面に対面した円周上に、ほぼ等間隔
   で複数組の光学計測装置を配設し、上記軸部品の外周か
   らスポット光を照射して、上記面取り加工したテーパ面
   からの反射光を計測し、上記軸部品の外接面（外径）を
   求める軸部品の計測方法。
2. 【請求項２】上記反射光の計測は、上記軸部品の外径を
   少なくとも３個所以上測定して得たものであることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載した軸部品の計測
   方法。